毕业设计-基于80c51单片机的步进电机控制系统的设计-文库吧

【正文】 机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 176。/176。、三相的为 176。/176。、五相的为 176。/176。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 的步进电机。 步进电机的特点1．一般步进电机的精度为步进角的 3%5%，且不累积。2．步进电机外表允许的最高温度。3．步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失3步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130℃以上，有的甚至高达 200℃以上，所以步进电机外表温度在 80℃90 ℃完全正常。4．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。5．当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。6．步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。综合各种步进电机的特点以及实际情况，本课题选用某混合式四相步进电机。 步进电机分类目前常用的有三种步进电动机：1．反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。2．永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。3．混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机4 四相混合式步进电机的工作原理及工作方式如图 21。开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐，同时，转子的 4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，5 号齿就和 D、A相绕组磁极产生错齿。当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动，4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而0、3 号齿和 A、B 相绕组产生错齿，5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。图 21 四相步进电机步工作进示意图四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 22a、b、c 所示：a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍图 22 步进电机工作时序波形图 步进电机具体型号的选择考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。最终选择5型号为 28YBJ48 的四相五线减速步进电机。该步进电机的主要参数为：1．额定电压：5VDC2．直流电阻：60 欧 加减 7%（25 摄氏度）3．减速比：1/644．步距叫： 度/645．驱动方式：四项八拍6．牵入转矩：大于 (工作频率：100PPS)7．打滑扭力：8001300 8．温升：小于 55K（5VDC 工作频率：100PPS)9．噪音：小于 35DB（空载，100PPS,水平距马达 10CM)10．绝对耐压：600V AC/1 秒11．引线拉力强度：1Kgf/条图 23 28YBJ48 型步进电机67第 4 章 驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析 关于 STC80C52 单片机的介绍单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。而其中 MCS51 系列单片机更是以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用。即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。故在本次设计中采用了其中的低功耗型 80C51 单片机。80C51 是 MCS51 系列单片机中 CHMOS 工艺的一个典型品种。其它厂商以 8051 为基核开发出的 CMOS 工艺单片机产品统称为 80C51 系列。当前常用的 80C51 系列单片机主要产品有：  Intel 的：80C380C587C51，80C380C587C52 等；  ATMEL 的：89C589C589C2051 等；  Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。 该系列单片机是采用高性能的静态 80C51 设计，由先进 CMOS 工艺制造，并带有非易失性 Flash 程序存储器 ，全部支持 12 时钟和 6 时钟操作，P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含 128 字节和 256 字节 RAM、32 条 I/O 口线、3 个 16 位定时/计数器、6 输入 4 优先级嵌套中断结构、1 个串行 I/O 口、可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART 以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至 0 。可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结 CPU 但 RAM 定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存 RAM 的内容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。 其主要结构组成如下：1．中央处理器（CPU）2．内部数据存储器（内部 RAM）3．内部程序存储器（内部 ROM）4．定时器/计数器5．并行 I/O 口86．串行口7．时钟电路8．中断系统9．外接晶体引脚图 41 80C51 单片机管脚图外中断控制并行口外时事件计数外时钟源振荡器和时序程序存储器8KB ROM数据存储器256B RAM/SFR216 位定时器/计数器TMP87P809N64KB 总线扩展控制线可编程 I/O 可编程全双工串行口串行通信图 42 80C51 单片机工作系统图9单片机管脚如图 41 所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。P0、PPP3 口的电平与 CMOS 和 TTL 电平兼容。 P0 口的每一位口线可以驱动 8 个 LSTTL 负载。在作为通用 I/O 口时，由于输出驱动电路是开漏方式，由集电极开路（OC 门）电路或漏极开路电路驱动时需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。 PPP3 口的每一位能驱动 4 个 LSTTL 负载。它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（OC 门）电路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。 当 CPU 不对 P3 口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的 Q 端置 1。这时，P3 口作为第二功能使用。 ：RXD（串行口输入）； ：TXD（串行口输出）； ：外部中断 0 输入； ：外部中断 1 输入； ：T0（定时器 0 的外部输入）； ：T1（定时器 1 的外部输出）； ：（片外数据存储器“写”选通控制输出）； ：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。 EA/VPP : 访问程序存储器控制信号，当其为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部的程序存储器，当其为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部存储器开始的，并可延至外部程序存储器。 ALE/PROG : 编程脉冲 PSEN : 外部程序存储器读选通信号，在读外部 ROM 时 PSEN 是低电平有效，以实现对 ROM 的读操作。 RST/VPD : 复位信号，当输入信号延续 2 个周期以上的高电平有效，用以完成单片机复位初始化操作。 XTAL : 时钟晶振输入端。 10 驱动系统总体结构实时控制录入程序方向设定电源驱动电路及有关芯片M供电供电供电计算机单片机按钮驱动速度设定图 43 驱动系统硬件结构由图 43 可知，本系统通过计算机设定步进电机的运行方向和速度，以及变速变向的控制，并且将这些参数和控制程序通过数据串口烧录到单片机中。按钮和单片机的控制信号通过驱动电路，输入至步进电机，控制步进电机的速度和方向。电源和变压整流电路为单片机和驱动芯片的正常工作提供安全稳定的直流高电平。 驱动系统的驱动原理为了方便阐述，本节按照步进电机输入信号要求，控制信号功率的放大，单片机控制信号的输出和编程的顺序分析其工作过程。 步进电机的控制信号橙 4黄 3粉 2 蓝 1红 5M 图 44 28YBJ48 型步进电机接线指示图11表 41 步进电机输入信号分布